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一种新型抑霜涂料在翅片管式换热器上的应用研究点击：1899 日期：[ 2014-04-26 21:57:36 ] |
| 一种新型抑霜涂料在翅片管式换热器上的应用研究 黄玲艳 刘中良 勾昱君 王皆腾 (北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室北京100124) 摘要：换热器表面结霜是制冷和低温设备中最常见的问题之一，它会严重影响换热器的换热效率，降低制冷系统的整体性能。用自行研制的一种新型抑霜涂料制成亲水表面，将其涂敷于换热器翅片上，厚度为0.05mm。在相同的实验条件下与没有涂层的换热器实验结果进行比较，发现有涂层的换热器能够大大延长融霜周期，在整个实验过程中没有出现结霜现象。涂层厚度对换热器出口的温度和换热器的传热性能没有明显影响。另外，还针对有涂层的翅片进行了一系列的吸水试验，测试涂层质量、厚度以及表面粗糙度随浸水时间的变化。 关键词:热工学；亲水表面；实验研究；结霜 中图分类号：TB657.5;TK172文献标识码：A 换热器表面结霜是低温工况下制冷空调中普遍存在的现象。湿空气流经蒸发器时,如果翅片温 低于空气的露点温度,空气中的水蒸汽将析出,并在翅片表面上凝露;当翅片温度低于0℃时,凝结水 还会在翅片表面形成霜层。结霜初期，由于霜表面 极为粗糙,此时的霜层能起到翅片的作用,增加传热速率[1]。随着霜层的不断形成和累积，一方面使空气流道逐渐变窄，增加气流阻力导致压降增加，严 重恶化了换热器的运行；另一方面霜层增加了导热热阻，降低了换热器的传热系数，使流过换热器的 空气流量降低，严重时会引起压缩机事故，使机组不能正常工作。因此必须定期对机组进行除霜，以便系统能正常运行。除霜的方法有很多种。传统的方法有自然融霜、电加热融霜、热气融霜和饱和蒸汽融霜等。但 是除霜时不仅影响制冷设备的正常运行，还要消耗 外能源，降低系统运行效率和性能。目前，新的 抑霜方法有：利用干燥剂或除湿系统来减少蒸发器 冷面的结霜量；对流入的湿空气进行净化处理减少结霜；利用高压静电场抑霜；通过对金属表面 改性达到抑霜的目的不过这些除霜方法也都存 在各自的缺陷。 在国外，Okoroafor 等人在1999年研制出了一 种亲水性抑霜涂料，该涂料两小时内可以降低霜的 厚度达10%~30%，但是这种涂料成膜较厚，约为 0.7mm。2004年，刘中良、王洪燕等人开发出一种 亲水涂料，抑霜效果和使用寿命等方面都取得了 重大突破，在空气相对湿度较低、冷壁表面温度较高的情况下可保持长时间不结霜，但涂料成膜 的厚度达到0.3mm~0.4mm，在高湿度、低壁温条 件下，涂料抑霜的作用不明显，且表面比较柔软， 抗冲击能力差。最近，勾昱君[8]等人对该涂料进行 了工艺和配方上的改进，抑霜效果比以往亲水涂料 有明显改善，且新涂料成膜较薄，只有0.04mm， 是以往亲水涂料厚度的15%。此外，把该亲水涂料 应用于冰箱内壁，取得了非常明显的抑霜效果，六 个月的实际运行之后，内壁上覆涂亲水涂料和无覆 涂部分结霜量明显不同，覆涂部分形成的霜晶非常稀薄。利用这种高效抑霜涂料制成亲水表面，将其涂敷于由日本大金空调公司提供的一种翅片管式换 热器上，厚度为0.05mm，测试其抑霜效果。实验表明，该涂层能够大大延长除霜周期，而且在整个实验过程中没有出现结霜现象。另外，还测试了该涂层的质量、厚度以及表面粗糙度随吸水时间的变 化。 1.实验装置 实验的实验装置由日本大金空调公司提供，主要由冷却装置、空调回路、换热器、冷热媒装置及数据采集系统组成。其中风道和换热器部分的实验系统装置如图1所示，通过调节冷却装置和空调 回路来控制进入风道的湿空气的温湿度，湿空气进 出口的温度分别为2℃和1℃，流量为23.8m3/min， 空气相对湿度为84%。实验采用冷盐水溶液作为冷 媒向试件提供冷量，热盐水溶液用来融霜，其温度 分别为-8.0℃和5.0℃。实验过程中，所有数据均 用计算机进行实时采集以便于结果的分析。同时， 还利用数码相机对换热器翅片上的结霜现象进行拍 照以对不同换热器表面的结霜情况进行比较。 2.实验过程 2.1亲水性表面的制作 将一种强吸水性颗粒充分研磨，通过电镜扫描其最小粒径可达到1mm，并按一定的质量比与具 有强粘附性的涂料混合，充分搅拌均匀后加稀料稀 释，用喷枪将涂料均匀的喷涂到经过清洁处理的铝 制换热器翅片上，于通风处放置30~60分钟，再将一定质量的亲水性化合物喷涂到原涂层表面，强吸 水性颗粒将化合物完全吸收，使整个表面处于非常 平坦的状态。待涂层干燥后，进行显微测厚，涂层的厚度约为0.05mm，如图2(a)所示。 2.2实验步骤 实验开始之前，将有涂层的翅片组装到换热 器铜管上并安装到实验台，如图2(b)所示，检查换热器两侧的压差是否保持在零。首先，打开冷却水 系统和空调装置，同时打开风机调到设定的空气流 量为23.8m 3 /min。然后开启两个盐水池，设定冷热 媒的温度分别为-8.0℃和5.0℃，并检查盐水是否有泄露。待空气温湿度、空气流量以及冷热媒的温 度均达到设定值并稳定之后开始实验，同时进行数据和图像的实时采集，数据采集间隔为0.5分钟，图像采集间隔为20分钟,当换热器两侧的压差显示达到30mmAq(1mmAq=9.8Pa)时，第一个循环结 束，系统自动切换到融霜模式，5分钟之后，第二个循环接着开始，依次进行下去。 3.实验结果及分析 3.1不同换热器压差变化的比较 为了便于实验结果的分析比较，在相同的实 验条件下，对两种规格相同的换热器均做了实验，一种是没有涂层的，另一种是有涂层的，实验结果 如图3所示。该图对这两种不同换热器的进出口侧 压差随时间的变化进行了对比。实验开始时，没 有涂层的换热器进出口空气的压差为1.65mmAq， 随着实验的进行，从图中可以明显看出空气侧压 降随时间的增长呈指数趋势上升,这是因为换热器 翅片上不断形成的霜层增加了气流阻力，导致压 差增加，因此第一个循环只持续了80分钟。经过5分钟的融霜，第二个循环也只持续了62分钟。由 此可见，在换热器运行的过程中，结霜现象的发生 增加了翅片管换热器的热阻，严重降低了换热器的 换热效率。图中虚线是有涂层的换热器在相同的实 验条件下压差随时间的变化关系，由于条件的限 制，整个实验只有一个循环。实验开始时，进出 口空气的压差为5.73mmAq，比没有涂层的换热器 初始压差要高，这主要是由于涂层的厚度减小了 换热器翅片的间隙所引起的。喷涂之前，翅片的 间距为1.7mm，涂上涂层之后，翅片的间距减小到 1.6mm。可以看出，随着实验的进行，与没有涂层 的换热器一样，压差也是在不断上升，但是换热器 翅片上并没有结霜现象的发生，压差的增加是因为 涂层吸收了湿空气中的水蒸气而不断膨胀所造成 的，而且增加的速率要远远低于没有涂层的换热器，因此整个循环持续了140分钟，比没有涂层的 换热器延长了60分钟。 3.2涂层对翅片换热性能的影响 除了对不同换热器的压差进行比较之外，为 了验证该涂层对换热器传热效率的影响，还对两种换热器的出口温度进行了比较。从图4可以看出， 在相同的实验条件下，两种不同换热器的出口降温 速度相同，达到稳定后两者的温度也没有明显差别，这说明0.05mm厚的涂层并没有增加换热器的 传热热阻，对换热器换热性能的影响可以忽略不计。 3.3不同换热器表面结霜情况的对比 在实验的过程中，还观察了不同换热器翅片 上结霜情况随时间的变化。图5是在相同的实验条 件下拍摄到的不同换热器出口侧翅片上结霜的情 况。从图中可以看出，实验进行60分钟时，没有涂层的翅片上已经布满了霜晶。80分钟过后，没有涂 层的翅片上已经形成一层致密的霜层，但是有涂层 的翅片在整个实验过程中始终没有出现结霜现象。 实际上，由于进口侧的水蒸气比出口侧多，湿度也大，因此进口侧的翅片上结霜现象要比出口侧的更严重。 3.4涂层的质量、厚度以及表面粗糙度随吸水时间的变化 为了证明该涂料的强吸水性，还对涂层的质 量、厚度以及表面粗糙度随吸水时间的变化进行了 一系列的测试，其变化规律如图6所示。图6(a)反应了有涂层的翅片质量随吸水时间的变化情况。吸 水前，该翅片的质量为1.112g,吸水5分钟之后，该 翅片的质量达到2.832g，是吸水前的两倍多；45分 钟过后，该翅片的质量已经达到3.682g，是吸水前 的三倍多。从图中可以看出，在前40分钟内，该亲 水性涂层的质量变化非常快，但是随着吸水时间的 增加，该亲水性涂层的质量不再变化，这说明该亲 水性涂层的吸水能力在一段时间过后已经达到饱和。 图6(b)是涂层厚度随时间的变化关系。吸水前，该涂层的厚度为53.98mm，和涂层的质量变化有相同的趋势，在前60分钟内，涂层的厚度随吸水时间不断的增加，在100分钟时已经达到 276.70mm，将近吸水前的五倍，但是随后该涂层 的厚度随时间不再有显著的变化，这说明该涂层的吸水能力已经达到饱和状态。图6(c)显示了涂层表 面粗糙度随时间的变化关系。实验中，以涂层表面最大高度和最小高度之差来表示涂层的粗糙度。实 验之前，涂层表面的粗糙度为198.38mm，随着吸水时间的增加，涂层质量和厚度的不断变化，该亲 水性表面变得越来越平整，100分钟时，表面的粗 糙度已经降至125.66mm，随后吸水达到饱和，其粗糙度也不再发生明显的变化。 4.结论 通过对不同翅片管式换热器的实验研究发 现，该亲水性涂层能够大大延长融霜周期，比没有 涂层的换热器要超出60分钟左右，在整个实验过程 当中没有出现结霜现象。对不同换热器出口温度的 比较发现涂层对换热器的换热性能没有明显影响。另外，对涂层的一些表面参数随吸水时间的变化进行了测试，结果表明，在前100分钟，该涂层的质量、厚度以及表面粗糙度几乎随浸水时间呈指数关系变化，但是当该涂层的吸水能力达到饱和之后，其变化不再明显。如果适当加大翅片间距，可以更大幅度的延长系统运行时间。当然，翅片间距增大 的幅度需要与非涂层系统的对比及优化才能确定，这将是后续研究的重点内容之一。此外，涂层吸水膨胀后不仅厚度增大，导致压降增加，而且还使涂层的附着力减小，牢固性也会随之下降，所以针对涂层的厚度、牢固性以及耐久性也需要进一步研究。 |
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